綜合設(shè)計(jì)性大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的探索

安利民 侯美娜

【摘要】以經(jīng)典的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)數(shù)據(jù)深入分析，并增設(shè)應(yīng)用拓展模塊，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行普通驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)時(shí)，將其轉(zhuǎn)化成綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新素質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】霍爾效應(yīng)? 設(shè)計(jì)性? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

【基金項(xiàng)目】黑龍江大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究（凝聚態(tài)物理專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)模式研究）。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2020）13-0192-01

霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體性質(zhì)的重要手段，實(shí)驗(yàn)時(shí)要求學(xué)生求出霍爾系數(shù)并其計(jì)算電導(dǎo)率，遷移率等。本文分析了誤差影響并設(shè)計(jì)了霍爾效應(yīng)在生活中的應(yīng)用，學(xué)生可依據(jù)本文思想，學(xué)會(huì)深入分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

1.對(duì)霍爾效應(yīng)的分析

1.1 霍爾效應(yīng)原理

霍爾效應(yīng)是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的現(xiàn)象。帶電粒子（電子或空穴）偏轉(zhuǎn)會(huì)引起在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向磁場(chǎng)[1]。霍爾電壓為UH=RH■主要存在四種誤差電壓：不等電勢(shì)效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)差U0，能斯特效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)差UN，厄廷豪森效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)差UE，里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)差UR[2]。直接測(cè)出的電壓是霍耳效應(yīng)電壓與副效應(yīng)產(chǎn)生的附加電壓的代數(shù)和。

1.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用FB510型霍爾效應(yīng)組合實(shí)驗(yàn)儀。半導(dǎo)體霍爾片的幾何尺寸：厚度d=0.5mm，寬度b=4.0mm，長度l=3.0mm。數(shù)據(jù)如表1：

獲得幾點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：

1）由式（5）僅改變IS 方向時(shí)影響有UE，U0

2）由式（6）僅改變磁場(chǎng)方向時(shí)影響有UE，UN，URL

3）由式（7）采用對(duì)稱測(cè)量法影響有UE。

4）由式（7）與式（8）發(fā)現(xiàn)兩者理論值結(jié)果一樣，RH，RH1分別為式（7）和式（8）求出的霍爾系數(shù)，由表1可計(jì)算：RH=-9.6171？鄢10-3m3/C， RH1=-9.6175？鄢10-3m3/C兩者數(shù)值相差甚微，由于對(duì)稱測(cè)量法多次測(cè)量更精確，故教學(xué)中采用的是對(duì)稱測(cè)量法。

5）理論上式（9）的結(jié)果應(yīng)該為零或呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分布。但表1數(shù)據(jù)不滿足該特征，說明存在第五種附加電壓US。

以上分析旨在示范學(xué)生在研究一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)會(huì)多思考，變換不同思路分析各種方法產(chǎn)生的誤差。在對(duì)U1、U2、U3、U4進(jìn)行幾種不同的數(shù)學(xué)計(jì)算，獲得了不同的發(fā)現(xiàn)，示范學(xué)生在進(jìn)數(shù)據(jù)處理時(shí)可通過更多的嘗試另辟蹊徑。

2.生活應(yīng)用

如圖1，霍爾開關(guān)控制單向晶閘管，VCC霍爾電源，V晶閘管電源，接通電路并有磁場(chǎng)靠近，霍爾開關(guān)感應(yīng)到磁感應(yīng)強(qiáng)度，它的2腳輸出低點(diǎn)壓，晶閘管因無觸發(fā)信號(hào)而截止，負(fù)載停止工作，當(dāng)霍爾開關(guān)未感應(yīng)到磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，2腳輸出高電壓，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載工作。實(shí)際教學(xué)時(shí)，可用燈泡代替負(fù)載，負(fù)載工作時(shí)燈泡亮;負(fù)載停止工作時(shí)燈泡滅。學(xué)生可以依據(jù)本文原理自行進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，鍛煉自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

引入該應(yīng)用旨在強(qiáng)調(diào)學(xué)生注重每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)希望學(xué)生進(jìn)行思考創(chuàng)新，學(xué)會(huì)將理論應(yīng)用于實(shí)踐，把知識(shí)能力轉(zhuǎn)化為創(chuàng)造能力服務(wù)大眾。

結(jié)語

本文由探索霍爾效應(yīng)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合性分析，關(guān)注其本質(zhì)及應(yīng)用，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恩科，朱秉生，羅晉升. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 1958. 394-396

[2]何志強(qiáng).關(guān)于霍爾效應(yīng)的誤差分析[J].物理通報(bào)，2014（9）： 83-85

作者簡(jiǎn)介：

侯美娜（1999-），女，在校生，中俄學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)。

安利民（1979-），男，教授，物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心副主任（省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心），主要從事大學(xué)物理教法和量子點(diǎn)光電特性的研究。